Обычный (традиционный) способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации (электростанция и котельная). При этом значительная часть энергии первичного топлива не используется. Можно значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла).

Когенерация есть термодинамическое производство двух или более форм полезной энергии из единственного первичного источника энергии.

Две наиболее используемые формы энергии - механическая и тепловая. Механическая энергия обычно используется для вращения электрогенератора. Вот почему именно следующее определение часто используется в литературе (несмотря на свою ограниченность).

Когенерация есть комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии из одного и того же первичного источника энергии.

Произведенная механическая энергия также может использоваться для поддержания работы вспомогательного оборудования, такого как компрессоры и насосы. Тепловая энергия может использоваться как для отопления, так и для охлаждения. Холод производится абсорбционным модулем, который может функционировать благодаря горячей воде, пару или горячим газам.

При эксплуатации традиционных (паровых) электростанций, в связи с технологическими особенностями процесса генерации энергии, большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т.п. Большая часть этого тепла может быть утилизирована и использована для удовлетворения тепловых потребностей, это повышает эффективность с 30-50% для электростанции до 80-90% в системах когенерации. Сравнение между когенерацией и раздельным производством электричества и тепла приводится в таблице 1, основанной на типичных значениях КПД.

Преимущества надежности

• Когенерация - фактически идеальная форма обеспечения энергией с точки зрения безопасности энергоснабжения.

Развитие современных технологий усиливает зависимость человеческой деятельности от энергоснабжения во всех областях: и в доме, и на работе, и на отдыхе. Непосредственная зависимость человеческой жизни от бесперебойного энергоснабжения растёт на транспорте (начиная с лифтов и заканчивая системами обеспечения безопасности на скоростных железнодорожных магистралях) и в медицине, полагающейся сегодня на сложные и дорогие приборы, а не только на стетоскоп и ланцет.

Повсеместное распространение компьютеров только повышает требования к энергоснабжению. Не только "количество", но и "качество" электроэнергии становятся критичными для банков, телекоммуникационных или промышленных компаний. Скачок или сбой напряжения могут повлечь сегодня не просто остановку или порчу машины, но и потерю информации, восстановление которой иногда несравнимо сложнее ремонта оборудования.

• Требования к энергоснабжению формулируются просто - надёжность, постоянство. И для многих становится ясно, что на сегодня единственный путь иметь продукт высшего качества - произвести его самому.

Военные во всём мире знают это давно, промышленники уже пришли к таким решениям, а семьи и предприятия малого бизнеса начали осознавать преимущества владения электрогенераторами и тепловыми котлами только сейчас. Кризис сложившейся монополизированной энергетической инфраструктуры и начавшаяся либерализация энергетических рынков одновременно и увеличивают степень неопределённости будущего, и привлекают открывающимися возможностями для бизнеса. И тот, и другой фактор увеличивают спрос потребителей энергии на собственные генерирующие мощности.

• В случае использования системы когенерации потребитель застрахован от перебоев в централизованном энергоснабжении, время от времени возникающих либо вследствие крайнего износа основных фондов в электроэнергетике, либо природных катаклизмов или других непредвиденных причин.

У него, скорее всего, не возникнет организационных, финансовых или технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку не понадобится прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т.д. Более того, вновь приобретенные когенераторы встраиваются в уже существующую систему.

• Расположение Энергоцентра в непосредственной близости от потребителя подразумевает то, что Энергоцентр находится в зоне безопасности конкретного предприятия, и энергоснабжение зависит только от потребителя.
• Распределенные (автономные) источники энергии, подобные системам когенерации, снижают уязвимость инфраструктуры энергетики.

Станции когенерации, рассеянные по Европе и Америке, менее уязвимы для естественного и умышленного разрушения, чем крупные центральные электростанции. Когенерация в основном работает на природном газе и других "бытовых" видах топлива, то есть не требует экстраординарных мер по обеспечению топливом.

• Когенерация повышает надежность энергоснабжения сооружений - это существенное преимущество в условиях меняющегося рынка энергии и высокотехнологичного общества.

Высоконадежное электроснабжение критически важно для большинства компаний, работающих в информационной, производственной, исследовательской областях, сфере безопасности и т.д. Сооружения подобно информационным центрам требуют "6 девяток" или 99,9999% вероятности бесперебойной подачи электроэнергии. Распределительные электросети обеспечивают только 4 девятки или 99,99% вероятности — недостаточная вероятность для компании, которая теряет миллион долларов в минуту при сбоях электропитания. Автономная энергетика обеспечивает основное электроснабжение, а сети используются в качестве резерва.

Когенерация может гарантировать широко известные "6 девяток" надежности электроснабжения цифровым системам, также как обеспечить охлаждение высокотехнологичного оборудования. Компьютерные микросхемы, действующие в промышленных процессах, сетях связи, Интернет-коммуникациях и финансовых сделках, могут, при потере питания, сохранять информацию только в течение 8 миллисекунд.

• Система когенерации не представляет желаемой цели для потенциальных террористов, в отличие от, например, атомной электростанции.

Преимущества утилизации тепла

• Когенерация обеспечивает огромный выигрыш в энергетическом КПД.

Это происходит за счет утилизации тепла выхлопных газов, в водяной рубашке охлаждения, в теплообменнике охлаждения масла и в промежуточном охладителе топливной смеси (данные действительны для большинства первичных двигателей). Около 67% энергии первичного топлива, при традиционном способе генерации электроэнергии, выбрасывается в окружающую среду. В дальнейшем имеют место потери при передаче электроэнергии.

• Утилизируемое тепло может быть использовано в технологических процессах, для производства холода (тригенерация), для отопления и кондиционирования помещений, для подогрева воды и т.д.
• Реконструкция существующих котельных с применением когенерационных установок позволяет получать за меньшие деньги то же количество тепла, при бесплатном получении электроэнергии.
• В мире существует множество программ по использованию тепла когенерационных установок, например ТАТ (Thermally Activated Technologies).

Цели программы сфокусированы в направлениях восстановления тепла КГУ и путях дальнейшего увеличения эффективности. ТАТ считают, что:

• К 2020 году 5% общего количества потребляемой энергии в США будет приходиться на утилизируемую тепловую энергию.
• Возвращение в оборот тепловой энергии является крайне благоприятной возможностью уменьшения энергопотребления. Американская промышленность требует ускорения разработки ТАТ для получения конкурентных преимуществ в экономике и энергетике в будущем.
• ТАТ критичны для обеспечения экологической безопасности и уменьшения загрязненности воздуха. Промышленность США требует ускорения разработки технологий осушения и вентиляции воздуха для мер оздоровления персонала и охраны окружающей среды.
• Осушение и охлаждение может осуществляться с помощью осушителей воздуха и абсорбционных охладителей, использующих утилизируемое тепло.
• Утилизация тепла уменьшает экологическую нагрузку любого энергетического оборудования в среднем в два раза.

Тригенерация

Едва общество привыкло к понятию когенерация и конструкторы начали оснащать котельные когенерационными установками, появилось новое понятие, к которому мы еще не совсем привыкли - тригенерация. В переводе это значит комбинированное производство электричества, тепла и холода. С технологической точки зрения имеется в виду соединение когенерационной установки с абсорбционной охладительной установкой.

Это является выгодным с точки зрения эксплуатации когенерационной установки, т.к. дает возможность утилизации тепла и летом, вне отопительного сезона, и этим продлить время работы установки в течение всего года. Именно снижение возможности утилизации тепла когенерационных установок летом вело к внедрению установок с более низкой мощностью. Если удастся изменить тепло на холод, то ничего не мешает тому, чтобы установки работали на полную мощность и летом. Произведенный холод может использоваться в системах кондиционирования - в банках, гостиницах, торговых центрах, больницах, стадионах и т.п.

Кондиционеры могут быть двух конструкций:

• Компрессорные - привод компрессора от электромотора;
• Абсорбционные - привод обеспечивается паром, газом, тепло горячей вода.

Преимуществом абсорбционного охлаждения (кроме выше приведенной возможности соединения с когенерационной установкой) по сравнению с компрессорным охлаждением является то, что может работать на более дешевой подводимой тепловой энергии, а не на дорогой электрической в случае компрессорного охлаждения. Абсорбционное охлаждение тихое, простое и надежное. Недостатком являются более высокие капитальные вложения по сравнению с компрессорным охлаждением, более крупные габариты и большая масса.

Основным принципом сорбционной циркуляции является замена компрессии тепловым процессом, в котором холодоноситель при низком давлении поглощает абсорбер, потом направляется в другой теплообменник, который работает при более высоком давлении и где холодоноситель подводом тепла в растворе кипятком снова освобождается. В результате образуется холодоноситель с более высоким давлением, который соответствует условиям конденсации. Процессы в конденсаторе и испарителе подобны процессам при паровой циркуляции.

Принцип абсорбционного охлаждения заключается в следующем. Концентрированный раствор постоянно нагревается в кипятильнике до температуры кипения каким-либо источником тепла (электрическим, газовым и т.д.). Так как температура кипения хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя (абсорбента), то в процессе выпаривания концентрированного раствора из кипятильника выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути движения к конденсатору концентрированные пары хладагента проходят специальный теплообменный аппарат (дефлегматор), в котором происходит частичная конденсация концентрированных паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в концентрированный раствор, выходящий из кипятильника, а более концентрированные пары хладагента поступают в конденсатор. Высококонцентрированный жидкий хладагент из конденсатора поступает в испаритель, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из холодильной камеры. Слабый раствор из холодильника поступает в абсорбер и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере происходит процесс поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При этом выделяется некоторое количество теплоты абсорбции (смешения) в окружающую среду. Образовавшийся в абсорбере концентрированный раствор термонасосом передается в кипятильник.

Абсорбционное охлаждение состоит из трех контуров, между которыми происходит обмен тепла. Первым является контур отопительной воды, которая действует в качестве носителя внутреннего теплообмена. Этот контур подключен к источнику тепла - к когенерационной установке. Второй контур - это контур холодной воды, который подключен прямо в контур охлаждения - как центральное отопление, но вместо горячей воды наполнен водой холодной, которая в помещении охлаждает воздух и отводит тепло из помещения. Третьим является контур охладительной воды, который отводит теплую воду к охлаждению. Охлаждение осуществляется чаще всего посредством охладительных башен. Габариты охладительного оборудования и его цена зависят от температуры контура отопительной воды. Как правило, действует, что чем выше температура теплой воды, тем меньше и дешевле будет охладитель. Большинство выпускаемого промышленностью оборудования работает при температуре от 90°С до 135°С. Контур холодной воды работает с температурами, необходимыми для отвода тепла из помещения, и находится в пределах от 7°С до 15°С. Контур охладительной воды, отводящей тепло из охладителя, работает при температуре от 20°С до 45°С.

Экологические преимущества

• Производство энергии - главный источник загрязнения.

Когенерация, используя первичное топливо в два-три раза эффективней традиционной энергетики, снижает выбросы загрязняющих веществ (оксида азота, двуокиси серы и летучих органических соединений) в 2-3 раза, в зависимости от конкретного случая.

В настоящее время, электростанции ответственны за 2/3 суммарных национальных выбросов двуокиси серы (SO2), 1/4 окиси азота (NОх), 1/3 ртути (Нg) и 1/3 выбросов двуокиси углерода (СО2), основного парникового газа. Эмиссии способствуют усугублению серьезных экологических проблем, включая глобальное изменение климата, кислотные дожди, смог, загрязнение водных артерий и эутрофикации важнейших водоемов (процесса, при котором образуется переизбыток питательных веществ, что приводит к быстрому росту водных растений и подавлению других форм жизни, а также избыточному образованию ила). Те же самые эмиссии вносят свою лепту в многочисленные проблемы со здоровьем, такие как хронический бронхит и обострение астмы, особенно у детей.

• Новые крупные электростанции наносят главный удар по экологии.

Станции когенерации малы и обычно расположены внутри существующих зданий и заводов. Кроме того, уровень выбросов КГУ на порядок ниже уровня крупных электростанций.

• Системы когенерации могут быть особенно полезны в районах, где развитие ограничено вследствие экологических ограничений.

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования часто не обеспечивают должного контроля за влажностью или удовлетворяет потребности здания с помощью наружного воздуха. В комбинации с осушителем воздуха (desiccant dehumidifier), когенерационные системы обеспечивают лучший контроль за влажностью нежели стандартные системы и снижают потенциал роста плесени и числа бактерий. В комбинации с системой когенерации, абсорбционные холодильники могут уменьшать эмиссии парниковых газов.

• Свалки больших городов и очистные сооружения городской канализации при утилизации метана в малых и средних системах когенерации дадут не только дополнительную электроэнергию городу, но и примерно в 20 раз уменьшат загрязнение атмосферы по сравнению с его сжиганием.

• Копенгаген уменьшил выбросы СО на 20% в 1998 г. по сравнению с уровнем 1988 г. Такое значительное уменьшение среди прочих причин вызвано расширением централизованного теплоснабжения (ЦТ) и комбинированного производства тепла и электроэнергии (когенерации, СНР).

• Экономические преимущества. Когенерация предлагает превосходный механизм экономического стимулирования.

• Высокие затраты на энергию могут быть уменьшены в несколько раз.

Например, при качественной реализации проекта, система когенерации может вырабатывать энергию, себестоимость которой в 7 раз меньше, чем ее же стоимость у «АО-энерго».

• Уменьшение доли энергии в себестоимости продукции позволяет существенно увеличить конкурентоспособность продукта.

В России доля энергии в себестоимости продукта колеблется от 10% до 70%, что в 5-10 раз выше мирового уровня. В себестоимости продукции химической промышленности на энергию приходится порядка 70%.В металлургии - до 27%.

Темпы роста тарифов на энергию превышают темпы роста цен на продукцию большинства отраслей хозяйства. Это явилось одной из важнейших причин увеличения удельного веса затрат на энергию в себестоимости продукции. Как показал проведенный анализ деятельности ряда предприятий машиностроительного комплекса, доля затрат на электрическую и тепловую энергию в себестоимости продукции выросла с 1-2% в 1990 году до 16-20% в 1999 году. Аналогичная тенденция наблюдается и на предприятиях легкой промышленности, где проведенное обследование позволило установить увеличение доли затрат на электрическую и тепловую энергию в себестоимости продукции с 8-9% в 1995 году до 17-19% в 1999 году. Особо следует подчеркнуть, что при уменьшении выпуска промышленной продукции в 3-4 раза потребление энергии на предприятиях сократилось всего лишь в 1,5-2 раза. Использование в производстве морально и физически устаревшего оборудования, объясняемое, прежде всего, отсутствием у большинства промышленных предприятий средств на его замену или модернизацию, приводит к нерациональному расходу энергетических ресурсов и лишь усугубляет ситуацию.

• Некачественное электроснабжение — главный фактор замедления экономического роста.

Когенерация является практически самым оптимальным вариантом обеспечения надежности снабжения электрической энергией. Рынок в своей оценке перспектив бизнеса обращает пристальное внимание на энергозависимость. Проблемы с электроснабжением в компании «eBay», занимающейся организацией интернет-аукционов, в одночасье уменьшили её рыночную капитализацию на 20%.

• Энергозависимая экономика требует все больше и больше энергии для работы и развития.

При традиционном энергообеспечении возникает множество организационных, финансовых и технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку часто необходимы прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т.д.

В то же время, когенерация предлагает крайне гибкие и быстрые в плане наращивания мощностей решения. Наращивание мощностей может осуществляться как малыми, так и достаточно большими долями. Этим поддерживается точная взаимосвязь между генерацией и потреблением энергии. Таким образом, обеспечиваются все энергетические нужды, которые всегда сопровождают экономический рост.

• Стоимость прокладки энергокоммуникаций и подключение к сетям могут вылиться в сумму, сравнимую или превосходящую стоимость проекта когенерации.

Большая часть территории России (по различным оценкам от 50 до 70%) располагается вне зоны действия централизованных электрических сетей. Природоохранные ограничения, стоимость земли и воды, государственное регулирование - есть тысячи препятствий для энергокомпании, решившей построить новую мощную электростанцию.

• Топливом является газ, его преимуществом является относительная дешевизна, мобильность и доступность.
• Когенерация позволяет воздержаться от бесполезных и экономически неэффективных затрат на средства передачи энергии, к тому же исключаются потери при транспортировке энергии, так как энергогенерирующее оборудование установлено в непосредственной близости от потребителя.

Еще в 1962 году Н.И.Сазонов отмечал, что передача газа по газопроводам в 10-12 раз экономичнее передачи электрической энергии по высоковольтным линиям электропередачи. Нормативные потери в теплосетях - 5%, а реальные, в среднем, - 12-16% от передаваемой тепловой энергии.

• С развитием реформ и принятием соответствующих законов в России возникает привлекательное использование распределённых генераторов - превращение миллионов частных домов, офисных зданий и предприятий в производителей и продавцов электроэнергии.

Реализация этой "программы-максимум" позволяет не только рассчитывать на включение собственного генератора в случае аварии или перегрузки местной электрической сети, но и следить за разницей цен на газ и электричество и играть на этой разнице, получившей название "искровой маржи" (spark spread), или просто продавать энергию в периоды пиковых нагрузок и высоких цен. Чем ближе создание рынка электроэнергии с изменяющимися в реальном времени ценами, тем привлекательнее становится такой "дополнительный" бизнес, способный при некоторых условиях стать даже прибыльнее основного.

• Значительное и быстрое снижение эмиссий вредных веществ приносит существенную пользу не только в экологическом контексте.

Также имеет место моральное и экономическое удовлетворение подобных усилий: снижение или полное избавление от штрафов, гранты, налоговые льготы, снятие многих экологических ограничений.

Существует несметное количество экономических выгод когенерации, к сожалению, часть этого потенциала остается незамеченной конечными пользователями, промышленностью, бизнесом и властью или не реализованной предприятиями-исполнителями.

• Когенерация уменьшает затраты на топливо/энергию - КПД производства энергии из первичного топлива увеличивается в 2-3 раза, потребители сокращают затраты на топливо на две трети и получают возможность эффективного применения утилизируемого тепла (сушка, охлаждение, кондиционирование и т.д.).
• Когенерация оптимизирует потребление природного газа - снижаются затраты на приобретение газа, требования к газовой инфраструктуре и беспокойство касательно запасов газа.
• Американский эксперт по распределенной энергетике Том Кастен (Tom Casten) предсказывает, что США понадобится к 2010 году около 137 000 МВт новых мощностей. По Кастену, выполнение этих требований потребует 84$ миллиарда для строительства новых электростанций и 220$ миллиардов для новых средств передачи и распределения электроэнергии, то есть суммарно потребуется 304$ миллиарда. Выполнение того же требования с применением распределенной энергетики потребует 168$ миллиардов для новых электростанций, но 0$ для линий электропередач.

«Когенерация снижает потребности в новых линиях электропередач - позволяет избежать строительства дорогостоящих и опасных высоковольтных линий над частной собственностью, экологического противоборства. Распределенная энергетика в будущем могла бы уменьшить капитальные вложения на 6 миллиардов и уменьшить стоимость новой энергии до 3 центов за кВт, - говорит Кастен. - С когенерационными системами, расположенными в непосредственной близости от потребителя, исключаются потери энергии. Величины потерь нынешних сетей лежат в пределах от 5 до 20% суммарной мощности».

Когенерация

Основным элементом комбинированного источника электроэнергии и тепла, в дальнейшем когенератора (конгенерационной установки, мини-ТЭЦ), является первичный газовый двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором на валу. При работе двигатель-генератора утилизируется тепло газовыхлопа, масляного холодильника и охлаждающей жидкости двигателя. При этом в среднем на 100 кВт электрической мощности потребитель получает 150-160 кВт тепловой мощности в виде горячей воды 90 С для отопления и горячего водоснабжения.

Таким образом, когенерация удовлетворяет потребности объекта в электроэнергии и низкопотенциальном тепле. Главное ее преимущество перед обычными системами состоит в том, что преобразование энергии здесь происходит с большей эффективностью, чем достигается существенное сокращение расходов на производство единицы энергии.

Основные условия для успешного применения когенерационной технологии:

1. При использовании конгенерационной установки (мини-ТЭЦ) в качестве основного источника энергии, то есть при загрузке 365 дней в году, исключая время на плановое обслуживание.

2. При максимальном приближении конгенерационной установки (мини-ТЭЦ) к потребителю тепла и электроэнергии, в этом случае достигаются минимальные потери при транспортировке энергии.

3. При использовании наиболее дешевого первичного топлива - природного газа.

Наибольший эффект применения конгенерационной установки (мини-ТЭЦ) достигается при работе последнего параллельно с внешней сетью. При этом возможна продажа излишков электроэнергии, например, в ночное время, а также при прохождении часов утреннего и вечернего максимумов электрической нагрузки. По такому принципу работают 90% когенераторов в странах Запада.

Сферы применения когенерационных установок:

Максимальный эффект применения когенераторов достигается на следующих городских объектах:

Собственные нужды котельных (от 50 до 600 кВт). При реновации котельных, а также при новом строительстве источников тепловой энергии крайне важным является надежность электроснабжения собственных нужд теплоисточника. Применение газового когенератора (газопоршневого агрегата) оправдано здесь тем, что он является надежным независимым источником электроэнергии, а сброс тепловой энергии когенератора обеспечен в нагрузку теплоисточника.

Больничные комплексы (от 600 до 5000 кВт). Эти комплексы являются потребителями электроэнергии и тепла. Наличие в составе больничного комплекса когенератора дает двойной эффект: снижение расходов на энергообеспечение и повышение надежности электроснабжения ответственных потребителей больницы - операционного блока и блока реанимации за счет ввода независимого источника электроэнергии.

Спортивные сооружения (от 1000 до 9000 кВт). Это, прежде всего, бассейны и аквапарки, где востребованы и электроэнергия, и тепло. В этом случае конгенерационная установка (мини-ТЭЦ) покрывает потребности в электроэнергии, а тепло сбрасывает на поддержание температуры воды.

Электро- и теплоснабжение объектов строительства в центре города (от 300 до 5000 кВт). С этой проблемой встречаются компании, ведущие реновацию старых городских кварталов. Стоимость подключения реновируемых объектов к инженерным сетям города в ряде случаев соизмерима с объемом инвестиций в собственный когенерационный источник, однако в последнем случае собственником источника остается компания, что приносит ей дополнительную прибыль при эксплуатации жилого комплекса.

Когенерационные системы классифицируются по типам основного двигателя и генератора:

Паровые турбины, газовые турбины;

Поршневые двигатели;

Микротурбины.

Наибольшим преимуществом пользуются поршневые двигатели, работающие на газе. Они отличаются высокой производительностью, относительно низким объемом начальных инвестиций, широким выбором моделей по выходной мощности, возможностью работы в автономном режиме, быстрым запуском, использование различных видов топлива.

Основы когенерации.

Обычный (традиционный) способ получения электричества и тепла заключается в их раздельной генерации (электростанция и котельная). При этом значительная часть энергии первичного топлива не используется. Можно значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла).

Когенерация есть термодинамическое производство двух или более форм полезной энергии из единственного первичного источника энергии.

Две наиболее используемые формы энергии - механическая и тепловая. Механическая энергия обычно используется для вращения электрогенератора. Вот почему именно следующее определение часто используется в литературе (несмотря на свою ограниченность).

Когенерация есть комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии из одного и того же первичного источника энергии.

Произведенная механическая энергия также может использоваться для поддержания работы вспомогательного оборудования, такого как компрессоры и насосы. Тепловая энергия может использоваться как для отопления, так и для охлаждения. Холод производится абсорбционным модулем, который может функционировать благодаря горячей воде, пару или горячим газам.

При эксплуатации традиционных (паровых) электростанций, в связи с технологическими особенностями процесса генерации энергии, большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т.п. Большая часть этого тепла может быть утилизирована и использована для удовлетворения тепловых потребностей, это повышает эффективность с 30-50% для электростанции до 80-90% в системах когенерации. Сравнение между когенерацией и раздельным производством электричества и тепла приводится в таблице 1, основанной на типичных значениях КПД.

Исследования, разработки и проекты, реализованные в течение последних 25 лет, привели к существенному усовершенствованию технологии, которая теперь действительно является зрелой и надежной. Уровень распространения когенерации в мире позволяет утверждать, что это наиболее эффективная (из существующих) технология энергообеспечения для огромной части потенциальных потребителей.

Таблица 1

Преимущества технологии.

Технология когенерации действительно одна из ведущих в мире. Что интересно, она прекрасно сочетает такие положительные характеристики, которые недавно считались практически несовместимыми. Наиболее важными чертами следует признать высочайшую эффективность использования топлива, более чем удовлетворительные экологические параметры, а также автономность систем когенерации.

Технология, которой посвящен данный ресурс, не просто "комбинированное производство электрической (или механической) и тепловой энергии", - это уникальная концепция, сочетающая преимущества когенерации, распределенной энергетики и оптимизации энергопотребления.

Следует заметить, что качественная реализация проекта требует наличия специфических знаний и опыта, иначе значительная часть преимуществ наверняка будет потеряна. К сожалению, в России очень мало компаний, которые действительно обладают необходимой информацией и могут грамотно реализовать подобные проекты.

Выгоды от использования систем когенерации условно делятся на четыре группы, тесно связанные друг с другом.

Преимущества надежности.

Когенерация - фактически идеальная форма обеспечения энергией с точки зрения безопасности энергоснабжения.

Развитие современных технологий усиливает зависимость человеческой деятельности от энергоснабжения во всех областях: и в доме, и на работе, и на отдыхе. Непосредственная зависимость человеческой жизни от бесперебойного энергоснабжения растёт на транспорте (начиная с лифтов и заканчивая системами обеспечения безопасности на скоростных железнодорожных магистралях) и в медицине, полагающейся сегодня на сложные и дорогие приборы, а не только на стетоскоп и ланцет.

Повсеместное распространение компьютеров только повышает требования к энергоснабжению. Не только "количество", но и "качество" электроэнергии становятся критичными для банков, телекоммуникационных или промышленных компаний. Скачок или сбой напряжения могут повлечь сегодня не просто остановку или порчу машины, но и потерю информации, восстановление которой иногда несравнимо сложнее ремонта оборудования.

Требования к энергоснабжению формулируются просто - надёжность, постоянство. И для многих становится ясно, что на сегодня единственный путь иметь продукт высшего качества - произвести его самому. Военные во всём мире знают это давно, промышленники уже пришли к таким решениям, а семьи и предприятия малого бизнеса начали осознавать преимущества владения электрогенераторами и тепловыми котлами только сейчас. Кризис сложившейся монополизированной энергетической инфраструктуры и начавшаяся либерализация энергетических рынков одновременно и увеличивают степень неопределённости будущего, и привлекают открывающимися возможностями для бизнеса. И тот и другой фактор увеличивают спрос потребителей энергии на собственные генерирующие мощности.

В случае использования системы когенерации потребитель застрахован от перебоев в централизованном энергоснабжении, время от времени возникающих либо вследствие крайнего износа основных фондов в электроэнергетике, либо природных катаклизмов или других непредвиденных причин. У него, скорее всего, не возникнет организационных, финансовых или технических трудностей при росте мощностей предприятия, поскольку не понадобится прокладка новых линий электропередач, строительство новых трансформаторных подстанций, перекладка теплотрасс и т. д. Более того, вновь приобретенные когенераторы встраиваются в уже существующую систему.

Когенерация – Когенераторные установки - двойная эффективность, двойная прибыль.

Когенераторные электростанции вдвойне эффективны в сравнении с электростанциями производящими только электрическую энергию. Когенераторная электростанция - это использование первичного источника энергии - газа, для получения двух форм энергии - тепловой и электрической.

Главное преимущество когенераторной электростанции перед обычными станциями состоит в том, что использование энергии топлива здесь происходит с гораздо большей эффективностью. Иными словами, когенераторная (когенерационная) установка позволяет использовать тепловую энергию, которая обычно улетучивается в атмосферу вместе с дымовыми газами.

При использовании когенераторной установки существенно возрастает общий коэффициент использования топлива. Использование когенерационной установки в значительной степени сокращает расходы на энергообеспечение. Когенераторная установка - это энергетическая независимость потребителей, надежная подача энергии и существенное снижение затрат на получение тепловой энергии.

Ведущими мировыми производителями когенераторных установок на основе поршневых двигателей и турбин на сегодняшний день являются: Alstom (Альстом), Capstone (Кэпстоун - Кепстон), Calnetix - Elliott Energy Systems, Caterpillar (Катерпиллар), Cummins (Камминз), Deutz AG (Дойтц АГ), Generac (Дженерак), General Electric (Дженерал Электрик), GE Jenbacher (Йенбахер), Honeywell (Хоневелл), Kawasaki (Кавасаки), Kohler (Колер), Loganova (Логанова), MAN B&W (МАН Б В), MAN TURBO AG (МАН ТУРБО), Mitsubishi Heavy Industries (Митсубиши Хэви Индастриз), Rolls-Royce (Роллс-Ройс), SDMO (СДМО), Siemens (Сименс), Solar Turbines (Солар Турбайнз), Turbomach (Турбомах), Vibro Power, Wartsila (Вяртсиля), Waukesha Engine Division (Вокеша / Вукеша), FG Wilson (Вилсон), микротурбинные установки / мини - турбины, микротурбинные электростанции /микротурбины Ingersoll Rand (Ингерсолл Рэнд).

Когенераторные установки - устройство и принцип действия

Когенерационная установка состоит из силового агрегата, например, газовой турбины, электрического генератора, теплообменника и системы управления.

В газотурбинных установках основное количество тепловой энергии отбирается из системы выхлопа. В газопоршневых электростанциях отбор тепловой энергии происходит и от масляного радиатора, а так же системы охлаждения двигателя. Отбор тепловой энергии в газотурбинных установках (ГТУ) осуществим технически проще, так как выхлопные газы имеют более высокую температуру.

На 1 МВт электрической мощности потребитель получает от 1, до 2 МВт тепловой мощности в виде пара и горячей воды для промышленных нужд, отопления и водоснабжения. Когенераторные электростанции с избытком покрывают нужды потребителей в электрической и дешевой тепловой энергии.

Излишнее тепло может направляться на паровую турбину, для максимальной выработки электричества или в абсорбционно-холодильные машины (АБХМ) для производства холода, с последующей реализацией в системах кондиционирования. Подобная технология имеет собственное определение - тригенерация.

Когенерационные установки - органичная экспансия в российскую экономику

Применение когенераторных электростанций в мегаполисах позволяет эффективно дополнять рынок энергоснабжения, без реконструкции сетей. При этом значительно улучшается качество электрической и тепловой энергий. Автономная работа когенераторной установки позволяет обеспечить потребителей электроэнергией с устойчивыми параметрами по частоте и по напряжению, тепловой энергией со стабильными параметрами по температуре.

Потенциальными объектами для применения когенерационных установок в России выступают промышленные производства, больницы, объекты жилищной сферы, газоперекачивающие станции, компрессорные станции, котельные и т. д. В результате внедрения когенераторных электростанций возможно решение проблемы обеспечения потребителей недорогим теплом и электроэнергией без дополнительного, финансово затратного, строительства новых линий электропередачи и теплотрасс. Приближенность источников к потребителям позволит значительно снизить потери передачи энергии и улучшить ее качество, а значит, и повысить коэффициент использования энергии природного газа.

Когенерационная установка - альтернатива тепловым сетям общего назначения

Когенерационная установка является эффективной альтернативой тепловым сетям, благодаря гибкому изменению параметров теплоносителя в зависимости от требований потребителя в любое время года. Потребитель, имеющий в эксплуатации когенераторную электростанцию не подвержен зависимости от экономического состояния дел больших теплоэнергетических компаниях.

Доход (или экономия) от реализации электричества и тепловой энергии, за короткое время, покрывают все расходы на когенераторную электростанцию. Окупаемость капитальных вложений в когенераторную установку происходит быстрее окупаемости средств, затраченных на подключение к тепловым сетям, обеспечивая тем самым, устойчивый возврат инвестиций.

Когенераторная установка хорошо вписываются в электрическую схему, как отдельных потребителей, так и любого количества потребителей через государственные электросети. Компактные, экологически безопасные, когенераторные электростанции покрывают дефицит генерирующих мощностей в крупных городах. Появление подобных установок позволяет разгрузить электрические сети, обеспечить стабильное качество электроэнергии и делает возможным подключение новых потребителей.

Преимущества когенераторных электростанций

Преимущества когенераторных электростанций заключены, прежде всего, в сфере экономики. Существенная разница между капитальными затратами на энергоснабжение от сетей и энергоснабжение от собственного источника заключается в том, что капитальные затраты, связанные с приобретением когенераторной установки, возмещаются, а капитальные затраты на подключение к сетям безвозвратно теряются при передаче вновь построенных подстанций на баланс энергетических компаний.

Капитальные затраты при применении когенераторной установки компенсируются за счет экономии топлива.

Обычно полное возмещение капитальных затрат происходит после эксплуатации когенераторной электростанции в течение трех-четырех лет.

Такое возможно, когда когенераторная установка питает нагрузку в непрерывном цикле работы, или если она работает параллельно с электросетью. Последнее решение является выгодным для владельцев электрических и тепловых сетей. Энергосистемы заинтересованы в подключении мощных когенераторных установок к своим сетям, так как при этом они приобретают дополнительную генерирующую мощность без капитальных вложений на строительство электростанции. В таком случае энергосистема закупает дешевую электроэнергию для её последующей перепродажи по более выгодному тарифу. Тепловые сети получают возможность закупать дешевое тепло для его реализации близлежащим потребителям.

Применение когенераторов

Сфера применения когенераторов весьма широка.

Когенераторные станции могут вырабатывать энергию для нужд всех отраслей хозяйственной деятельности, в том числе:
на промышленных предприятиях
в сельском хозяйстве
в сфере обслуживания
в гостиницах
торговых и административных центрах
в жилых массивах
частных домах
больницах, курортных и лечебных заведениях
бассейнах, спортивных центрах

Когенераторы и экономия энергетических ресурсов

В настоящее время в мировой энергетике прослеживается стойкая тенденция к увеличению производства и потребления энергии. Даже с учетом значительных структурных изменений в промышленности и перехода на энергосберегающие технологии, потребности в тепло- и электроэнергии в ближайшие десятилетия будут увеличиваться. Поэтому особо широкое применение когенераторов в мире говорит о новой тенденции к развитию локальной энергетики, как наиболее экономически эффективной и экологичной отрасли топливно-энергетического комплекса.

В России необходимость в применении когенераторов для тепло- и энергоснабжения очевидна, поскольку качество центрального снабжения оставляет желать лучшего, да и монопольный характер российских энергоносителей вынуждает покупать электричество и тепло по дорогим тарифам. Таким образом, внедрение когенераторов позволяет существенно снизить затраты на потребляемую энергию, что дает существенный экономический эффект для конечного потребителя, а также решить проблему пиковых нагрузок, недостатков централизованных систем и тем самым обеспечить качественным, бесперебойным энергоснабжением

Специфика когенераторов

Недостатком когенераторов является только ограниченная мощность до 3 МВт для одной машины. Средний промышленный потребитель в России имеет установленную мощность в 1-2 МВт. При необходимости могут быть установлены несколько параллельно работающих когенераторов. Когенераторы легко перевозить и устанавливать. Они позволяют решить острый вопрос неравномерного суточного потребления электроэнергии, неразрешимый для крупных генерирующих установок. Действительно, для когенератора, линейная зависимость потребления топлива имеет место, начиная с 15-20% номинальной мощности. Секционируя (пакетируя) общую мощность на 4-8 блоков, работающих параллельно, появляется возможность работы с 1.5-4% до 100% номинальной нагрузки при расчетном удельном потреблении топлива. При отсутствии нагрузки невостребованные когенераторы останавливаются, на этом в значительной степени экономится моторесурс первичных двигателей

Когенераторные кластеры

Секционирование (пакетирование) когенераторов стало возможным лишь в последнее время, когда появились надежные, высокоточные системы управления, основанные на достижениях микропроцессорной техники и компьютерных технологий. С помощью пакетирования (секционирования) стало возможным построение больших когенераторных установок, экономическая эффективность которых не хуже единичного блока, работающего при номинальной нагрузке. Особенно важным применением таких когенераторов является электроснабжение жилых массивов, в которых отсутствуют промышленные потребители и отношение максимальной и минимальной нагрузки в течение суток достигает десятков раз, так как российские условия делают невозможным продажу вырабатываемой в ночное время электроэнергии сетям как, например в Европе. Важным экономическим фактором распространения секционированных когенераторных систем является то, что удельная стоимость (в расчете на 1 кВт мощности) малых установок ниже, чем удельная стоимость единичных когенераторов большей мощности. Положительной особенностью секционированных когенераторных систем является их более высокая надежность. Действительно при выходе из строя, плановом ремонте или техническом обслуживании общая мощность системы составляет (n-1)/n% номинальной мощности, где n - число блоков в системе. Для российского промышленного и гражданского потребителя предлагаются когенераторы мощностью от 0.02 до 3 МВт, секционированные блоками с общим компьютерным управлением.

Когенераторы - экологическая безопасность

Важным фактором в пользу выбора когенератора является его экологическая безопасность. Подобные установки имеют низкий уровень выбросов в атмосферу токсичных веществ и удовлетворяют самым жестким международным и российским стандартам. Предприятия, имеющие собственную когенераторную установку, смогут обеспечить собственные потребности в электроэнергии. При этом не только снизится себестоимость основной продукции предприятий, но и значительно возрастет его энергетическая безопасность, поскольку потери в подаче электроэнергии от центральных энергетических компаний не будут влиять на ход технологического процесса.

Когенераторные технологии: возможности и перспективы

В. М. БАРКОВ, гл. специалист отдела теплоэнергетики

ООО «Инкомстрой-Инжиниринг» (г. Одинцово)

С повышением экологической культуры и необходимостью сокращения потребления ископаемых видов топлива появляется необходимость в высокоэффективных способах преобразования и выработки энергии. Традиционное раздельное производство электроэнергии конденсационными электростанциями и тепла котлами - малоэффективная технология, ведущая к потере энергии с теплом отходящих газов. Автономные установки комбинированного производства тепловой и электрической энергии - когенераторы - оказались успешным технологическим решением проблемы.

Основы когенерации

Когенерация - это технология комбинированной выработки энергии, позволяющая резко увеличить экономическую эффективность использования топлива, так как при этом в одном процессе производятся два вида энергии - электрическая и тепловая. Наибольший экономический эффект когенерации может быть достигнут только при оптимальном использовании обоих видов энергии на месте их потребления. В этом случае бросовая энергия (тепло выхлопных газов и систем охлаждения агрегатов, приводящих в движение электрогенераторы, или излишнее давление в трубопроводах) может быть использована по прямому назначению. Утилизируемое тепло может быть также использовано в абсорбционных машинах для производства холода (тригенерация). Существуют три основных типа когенераторных установок (КУ): энергоблоки на базе двигателей внутреннего сгорания (ГПА), газотурбинные установки (ГТУ) и парогазовые установки (ПГУ). Система когенерации (или мини-ТЭС) состоит из четырех основных частей: пер- вичный двигатель, электрогенератор, система утилизации тепла, система контроля и управления. В зависимости от существующих требований в качестве первичного двигателя могут использоваться поршневой двигатель, газовая турбина, паровая турбина и комбинация паровой и газовой турбин. В будущем это также могут быть двигатель Стирлинга или топливные элементы.

Мини-ТЭС обладают рядом достоинств, но отметим основные:

Малые потери при транспортировке тепловой и электрической энергии по сравнению с системами централизованного тепло и электроснабжения;

Автономность функционирования и возможность реализации в энергосистему излишков вырабатываемой электроэнергии;

Улучшение экономических показателей существующих котельных за счет выработки в них кроме тепловой и электрической энергии;

Повышение надежности теплоснабжения за счет собственного источника электроэнергии;

Более низкая себестоимость тепловой и электрической энергии по сравнению с централизованными источниками энергии.

Двигатели внутреннего сгорания (ГПА)

ГПА - традиционные дизельные электростанции, использующиеся в качестве резервных источников электроэнергии. При оснащении теплообменником или котлом-утилизатором они становятся мини-ТЭС. Бросовое тепло выхлопных газов, систем охлаждения и смазки двигателя идет на отопление и горячее водоснабжение. В механическую работу преобразуется треть энергии топлива. Остальная ее часть превращается в тепловую энергию. Кроме дизельных двигателей используются также газовые и газодизельные двигатели внутреннего сгорания. Газовый двигатель может быть оборудован несколькими карбюраторами, что дает возможность работать на нескольких сортах газа. Газодизельные агрегаты одновременно с газом потребляют до 1,5% дизтоплива, а в аварийном режиме плавно переходят с газа на дизтопливо. Дизельные когенераторы более предпочтительны в негазифицированных районах из-за более высокой, по сравнению с газом, стоимости нефтяного топлива. В качестве горючего могут быть также использованы биогаз, газы мусорных свалок, продукты пиролиза, что значительно повышает эффективность их использования на фермах, мусороперерабатывающих заводах, очистных сооружениях. ГПА с воспламенением от искры имеют наилучшее соотношение «расход топлива/энергия» и наиболее эффективны при мощностях от 0,03 до 5–6 МВт. ГПА с воспламенением от сжатия (дизеля) работают в диапазоне мощностей от 0,2 до 20 МВт. ГПА работают в двух основных режимах:

Номинальный режим - режим максимальной нагрузки и скорости в течение 24 час. в сутки на протяжении года с остановкой на плановое обслуживание; работа с перегрузкой в 10% возможна в течении 2-х час. в сутки;

Резервный режим - круглосуточная работа без перегрузки в период простоя основного источника энергии.

Достоинства и особенности применения ГПА:

Наиболее низкий уровень выбросов окислов азота, который можно устранить полностью при работе ДВС на богатой смеси с последующим дожиганием продуктов сгорания в котле;

Более высокий, по сравнению с ГТУ, ресурс работы, достигающий 150–200 тыс.час;

Наиболее низкий уровень капитальных затрат и эксплуатационных расходов на производство энергии;

Простота перехода с одного вида топлива на другой. ГПА не рекомендуется применять при потребности в получении большого количества теплоносителя с температурой более 110 С, при большой потребляемой мощности, а также при ограниченном числе пусков.

(Рис. 1. Принципиальная тепловая схема ГПА мини-ТЭС)

Газотурбинные установки (ГТУ)

ГТУ могут быть разделены на две основные части - газогенератор и силовую турбину, размещенные в одном корпусе. Газогенератор включает в себя турбокомпрессор и камеру сгорания, в которых создается высокотемпературный поток газа, воздействующий на лопатки силовой турбины. Тепловая производительность обеспечивается утилизацией тепла выхлопных газов с помощью теплообменника, водогрейного или парового котла-утилизатора. ГТУ предусматривают работу на двух видах топлива - жидком и газообразном. Постоянная работа производится на газе, а в резервном (аварийном) режиме происходит автоматический переход на дизель- ное топливо. Оптимальный режим работы ГТУ - комбинированная выработка тепловой и электрической энергии. ГТУ производят гораздо большее количество тепловой энергии, чем газопоршневые агрегаты, и могут работать как в базовом режиме, так и для покрытия пиковых нагрузок.

Принцип работы ГТУ

Атмосферный воздух через входное устройство КВОУ (комбинированное воздухообрабатывающее устройство) (6) поступает в компрессор (1), где сжимается и направляется в регенеративный воздухоподогреватель (7), а затем через воздухораспределительный клапан (5) в камеру сгорания (2). В камере сгорания в потоке воздуха сжигается топливо, поступающее через форсунки. Горячие газы поступают на лопатки газовой турбины (3), где тепловая энергия потока превращается в механическую энергию вращения ротора турбины. Мощность, полученная на валу турбины, используется для привода компрессора (1) и электрогенератора (4), который вырабатывает электроэнергию. Горячие газы после регенератора (7) поступают в водогрейный котел - утилизатор (8), а потом уходят в дымовую трубу (13). Сетевая вода, подаваемая сетевыми насосами (12), нагревается в водогрейном котле-утилизаторе (8) и пиковом котле (10) и направляется в центральный тепловой пункт (ЦТП). Подключение потребителей к ЦТП осуществляется при организации независимого контура. В качестве топлива используется природный газ. При аварийном прекращении подачи газа оба котла и ГТУ (при частичной нагрузке) переводятся для работы на сжиженный пропан-бутан (СУГ - сниженные углеводородные газы).

В зависимости от особенностей потребителей возможны следующие решения по схемам использования ГТУ:

Выдача электрической мощности в систему на генераторном (6,3 или 10,5 кВ) или повышенном до 110 кВ напряжении;

Выдача тепловой мощности через центральный тепловой пункт (ЦТП) или через индивидуальные тепловые пункты (ИТП) с полной гидравлической развязкой сетей ТЭЦ и потребительских сетей;

Работа ГТУ на общие с другими энергоисточниками тепловые сети или использование ГТУ в качестве автономного источника тепла;

Использование ГТУ как в закрытых, так и в открытых системах теплоснабжения;

Возможны варианты тепло- и электроснабжения: это или режим отпуска электрической энергии, или режим совместного отпуска электрической и тепловой энергии.

Достоинства и особенности применения ГТУ

Газотурбинные ТЭС на базе ГТУ обладают следующими достоинствами: - высокая надежность: ресурс работы основных узлов составляет до 150 тыс. час., а ресурс работы до капитального ремонта - 50 тыс. час.;

Коэффициент использования топлива (КИТ) при полной утилизации тепла достигает 85%;

Экономичность установки: удельный расход условного топлива на отпуск 1 кВТ электроэнергии составляет 0,2 кг у. т., а на отпуск 1 Гкал тепла - 0,173 кг у.т.;

Короткий срок окупаемости и небольшие сроки строительства - до 10–12 месяцев (при наличии необходимых согласований и разрешений);

Низкая стоимость капитальных вложений - не более $600 за установленный киловатт в пределах площадки ГТУ ТЭС;

Возможность автоматического и дистанционного управления работой ГТУ, автоматическое диагностирование режимов работы станции;

Возможность ухода от строительства дорогостоящих протяженных ЛЭП, что особенно важно для России.

Как недостаток следует отметить необходимость дополнительных расходов на сооружение газокомпрессорной дожимающей станции. ГТУ требуется газ с давлением 2,5 МПа, а в городских сетях давление газа составляет 1,2 МПа.

(Рис. 2. Принципиальная тепловая схема ГТУ мини-ТЭС)

Парогазовые установки (ПГУ)

На базе небольших паровых турбин можно создавать мини-ТЭС на базе уже действующих паровых котлов, давление пара на выходе из которых значительно выше, чем необходимо для промышленных нужд. Давление понижается с помощью специальных дроссельных устройств, что ведет к непроизводительной потере энергии - до 50 кВт на каждую тонну пара. Установив параллельно дроссельному устройству турбогенератор, можно получать более дешевую электроэнергию. Реконструкция муниципальных и промышленных котельных поможет решить 4 основные задачи энергосбережения:

Котельные, дающие в сеть свыше 60% тепловой энергии, смогут дополнительно поставлять дешевую электроэнергию как в пиковом, так и в базовом режимах;

Снижается себестоимость тепловой энергии;

Уменьшаются потери в электросетях за счет появления на объектах, обслуживаемых котельной, местных источников электроэнергии;

Существенно снижаются удельные расходы топлива на производство электроэнергии и тепла;

Существенно снижаются выбросы в атмосферу NO, CO и CO2 за счет экономии топлива.

Абсорбционные холодильные установки (АХУ)

Системы совместного производства теплоты и электричества работают эффективно, если используется вся или максимально возможная часть вырабатываемых энергий. В реальных условиях нагрузка меняется, поэтому для эффективного использования топлива необходима балансировка соотношения производимой теплоты и электричества. Для покрытия избытка тепловой энергии в летнее время используется абсорбционная холодильная установка (АХУ). С помощью комбинации мини-ТЭС и АХУ излишки тепла в летнее время используются для выработки холода в системах кондиционирования. Горячая вода из замкнутого цикла охлаждения ГПА служит источником энергии для АХУ.

Такой способ использования первичного источника энергии называется тригенерацией. Принцип действия абсорбционной холодильной машины можно представить следующим образом.

В АХУ имеются два циркуляционных контура, соединенных между собой. В контуре, содержащем термостатический регулирующий вентиль и испаритель, происходит испарение жидкого хладоагента (аммиака) за счет разрежения, создаваемого пароструйным насосом. Вентиль ограничивает поступление новых порций жидкого аммиака, обеспечивая его полное испарение, проходящее с поглощением тепла. Образовавшиеся пары аммиака откачиваются пароструйным насосом: водяной пар, проходя через сопло, захватывает с собой пары аммиака. Второй контур содержит нагреватель для поглощения пара и абсорбер, где пары аммиака поглощаются водой. Обратный процесс (выпаривание аммиака из воды) происходит за счет утилизационного тепла от ГПА (ГПУ). После этого аммиак конденсируется в теплообменнике, охлаждаемым наружным воздухом. Приведенная выше технология реализована в установке «генератор-абсорбер-теплообменник (GAX)», которая прошла испытания и уже появилась на рынке.


(Рис. 3. Принципиальная схема АХУ)

Инженерное обоснование проектов когенерационных установок

При разработке технико-экономического обоснования проекта мини-ТЭС прежде всего необходимо оценить потребность объекта в тепловой и электрической энергии. При оценке экономической эффективности установки должны учитываться затраты на энергоносители и эксплуатационные материалы (газ, электричество, тепло, моторное масло), на проектирование, покупку оборудования, монтаж, наладку, инженерные коммуникации, эксплуатационные издержки. Основные критерии: это конечная себестоимость электрической и тепловой энергии, расчет годовой экономии и срок окупаемости проекта. Кроме того, оценивается общий ресурс оборудования и межремонтный ресурс (для ГПА наработка до капремонта составляет около 60 тыс. час., для ГТУ - 30 тыс. час.). Также определяется число и единичная мощность энергетических агрегатов. Здесь следует руководствоваться следующими положениями:

Единичная электрическая мощность должна быть в 2–2,5 раза больше минимальной потребности объекта;

Общая мощность агрегатов должна превышать максимальную потребность объекта на 5–10%;

Мощность единичных агрегатов должна быть примерно одинаковой;

Мини-ТЭС на базе ГПА должна покрывать, как минимум, до половины максимальной ежегодной потребности предприятия в тепловой энергии, остальная потребность обеспечивается пиковыми водогрейными котлами.

После оценки всех факторов принимается решение о варианте работы мини-ТЭС - автономной или параллельно с централизованной сетью (что весьма сомнительно при негативном отношении РАО ЕЭС к децентрализованным мини-ТЭС).

Объем статьи, к сожалению, не позволяет охватить все аспекты применения когенерационных установок, наиболее значимыми из которых являются экономические и технологические, а также сравнительные характеристики применяемого оборудования зарубежного и отечественного производства. Особо значимым видится вопрос эффективного использования тепла в летнее время и варианты его использования, например, для побочной выработки, строительных материалов, химической продукции. Но это - тема будущих публикаций.

Введение

В настоящем издании приведены общие сведения о процессах производства, передачи и потребления электрической и тепловой энергии, взаимной связи и объективных закономерностях этих процессов, о различных типах электростанций, их характеристиках, условиях совместной работы и комплексного использования. В отдельной главе рассмотрены вопросы энергосбережения.

Производство электрической и тепловой энергии

Общие положения

Энергетика - это совокупность естественных, природных и искусственных, созданных человеком систем, предназначенных для получения, преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов. Энергоресурсами являются все материальные объекты, в которых сосредоточена энергия для возможного использования ее человеком.

Среди различных видов энергии, используемых людьми, электроэнергия выделяется рядом существенных достоинств. Это относительная простота ее производства, возможность передачи на очень большие расстояния, простота преобразования в механическую, тепловую, световую и иную энергию, что делает электроэнергетику важнейшей отраслью жизнедеятельности человека.

Процессы, происходящие при производстве, распределении, потреблении электрической энергии, неразрывно взаимосвязаны. Также взаимосвязаны и объединены установки по выработке, передаче, распределению и преобразованию электроэнергии. Такие объединения называются электроэнергетическими системами (рис.1.1) и являются составной частью энергетической системы. В соответствии с энергетической системой называют совокупность электрических станций, котельных, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этими режимами.

Составной частью электроэнергетической системы является система электроснабжения, представляющая собой совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.

Аналогичное определение можно дать системе теплоснабжения.

Тепловые электрические станции

Получение энергии из топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) посредством их сжигания в настоящее время является наиболее простым и доступным способом производства энергии. Поэтому до 75% всей электроэнергии в стране вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС). При этом возможны как совместная выработка тепловой и электрической энергии, например, на тепловых электростанциях (ТЭЦ), так и их раздельное производство (рис. 1.2).

Структурная схема ТЭС приведена на рис. 1.3. Работа происходит следующим образом. Система топливоподачи 1 обеспечивает поступление твердого, жидкого или газообразного топлива к горелке 2 парового котла 3. Предварительно топливо соответствующим образом подготавливается, например, уголь дробится до пылевидного состояния в дробилке 4, подсушивается и насыщается воздухом, который дутьевым вентилятором 5 от воздухо-заборника 6 через подогреватель 7 также подается к горелке. Тепло, выделяемое в топке котла, используется для нагрева воды в теплообменниках 8 и образования пара. Вода подается насосом 9 после того, как проходит специальную систему водоподготовки 10. Пар из барабана 11 при высоком давлении и температуре поступает в паровую турбину 12, где энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения вала турбины и электрического генератора 13. Синхронный генератор вырабатывает переменный трехфазный ток. Отработанный в турбине пар конденсируется в конденсаторе 14. Для ускорения этого процесса используется холодная вода естественного или искусственного водоема 15 или специальные охладители - градирни. Конденсат насосами вновь подается в парогенератор (котел). Такой цикл называется конденсационным. Электростанции, использующие этот цикл (КЭС), вырабатывают только электрическую энергию. На ТЭЦ часть пара из турбины забирается при определенном давлении до конденсатора и используется для нужд потребителей тепла.

Рис. 1.1.

G - генераторы электроэнергии; Т - трансформаторы; Р - электрические нагрузки;

W - линии электропередачи (ЛЭП); АТ - автотрансформаторы

Рис.1.2.

а - совмещенное производство; б - раздельное производство

Рис.1.3.

Топливо и его приготовление. На ТЭС используется твердое, жидкое или газообразное органическое топливо. Его общая классификация приведена в таблице 1.1 .

Таблица 1.1. Общая классификация топлива

Топливо в том виде, в каком оно сжигается, называется "рабочим топливом”. В состав рабочего топлива (твердого и жидкого) входят: углерод С, водород Н, кислород О, азот N, зола А и влага W. Выражая компоненты топлива в процентах, отнесенных к одному килограмму массы, получают уравнение состава рабочей массы топлива.

Сера называется летучей и составляет часть общего количества серы, находящейся в топливе, остальная негорючая часть серы входит в состав минеральных примесей.

Естественное газообразное топливо содержит: метан, этан, пропан, бутан, углеводороды, азот, углекислый газ. Последние два компонента - балласт. Искусственное газообразное топливо имеет в своём составе метан, окись углерода, водород, углекислый газ, водяные пары, азот, смолы.

Основной теплотехнической характеристикой топлива является теплота сгорания, которая показывает, какое количество теплоты в килоджоулях выделяется при сжигании одного килограмма твердого, жидкого или одного кубического метра газообразного топлива. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания топлива называют количество теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании c учётом теплоты, выделившейся при конденсации водяных паров, которые образуются при горении.

Низшая теплота сгорания отличается от высшей тем, что не учитывает теплоту, затрачиваемую на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания. При расчётах используют низшую теплоту сгорания, т.к. теплота водяных паров бесполезно теряется с уходящими в дымовую трубу продуктами сгорания.

Взаимосвязь высшей и низшей теплоты сгорания для рабочеймассы топлива определяется уравнением

Для сравнения различных видов топлива по величине теплоты сгорания введено понятие "условное топливо" (у. т.). Условным считают топливо, низшая теплота сгорания которого при рабочей массе равна 293 кДж/кг для твёрдого и жидкого топлива или 29300 кДж/м3 для газообразного топлива. В соответствии с этим каждое топливо имеет свой тепловой эквивалент Эт = QНР / 29300.

Перевод расхода рабочего натурального топлива в условное производится по уравнению

Вусл = Эт? Вт.

Краткая характеристика отдельных видов топлива приведена в табл.1.2.

Таблица 1.2. Характеристика топлива

Особо следует отметить низшую теплоту сгорания в кДж/кг мазута - 38000...39000, природного газа - 34000...36000, попутного газа - 50000...60000. Кроме того, это топливо практически не содержит влаги и минеральных примесей.

Перед подачей топлива в топку производят его подготовку. Особенно сложна система приготовления твердого топлива, которое последовательно проходит очистку от механических примесей и посторонних предметов, дробление, сушку, пылеприготовление, перемешивание с воздухом.

Система подготовки жидкого и особенно газообразного топлива значительно проще. Кроме тоготакое топливо экологически более чистое, практически не имеет зольности.

Простота транспортировки, легкость автоматизации управления процессами горения, высокая теплота сгорания обусловливают перспективность использования в энергетике природного газа. Однако запасы этого сырья ограничены.

Водоподготовка. Вода, являясь теплоносителем на ТЭС, непрерывно циркулирует по замкнутому контуру. При этом особое значение имеет очистка воды, подаваемой в котел. Конденсат от паровой турбины (рис.1.3) поступает в систему 10 очистки от химических примесей (химводоочистка - ХВО) и свободных газов (деаэрация). В технологическом цикле вода -пар-конденсат неизбежны потери. Поэтому от внешнего источника 15 (пруд, река) через водозабор 16 производится подпитка водяного тракта. Вода, поступающая в котел, предварительно подогревается в экономайзере (теплообменнике) 17 уходящими продуктами сгорания.

Паровой котел. Котел является парогенератором на ТЭС. Основные конструкции представлены на рис.1.4.

Котел барабанного типа имеет стальной барабан 1, в верхней части которого собирается пар. Питательная вода подогревается в экономайзере 2, находящемся в камере 3 уходящих газов, и поступает в барабан. Коллектор 4 замыкает паро-водяной цикл котла. В топочной камере 5 горение топлива при температуре 1500. ..20000С обеспечивает закипание воды. По стальным подъемным трубам 6, имеющим диаметр 30...90 мм и покрывающим поверхность топочной камеры, вода и пар поступают в барабан. Пар из барабана через трубчатый пароперегреватель 7 подается в турбину. Пароперегреватель может выполняться двух - трехступенчатым и предназначен для дополнительного нагрева и сушки пара. Система имеет опускные трубы 8, по которым вода из нижней части барабана опускается в коллектор.

В котле барабанного типа обеспечивается естественная циркуляция воды и пароводяной смеси за счет их разной плотности.

Такая система позволяет получить докритические параметры пара (критической называется точка состояния, в которой исчезает различие в свойствах жидкости и пара): давление до 22,5 МПа, а практически не более 20 МПа; температура до 374°С (без пароперегревателя). При большем давлении нарушается естественная циркуляция воды и пара. Принудительная циркуляция пока не нашла применения в мощных барабанных котлах из-за своей сложности. Поэтому котлы данного типа используются в энергоблоках мощностью до 500 МВт при паропроизводителъности до 1600 тонн в час.

В котле прямоточного типа специальные насосы осуществляют принудительную циркуляцию воды и пара. Питательная вода насосом 9 через экономайзер 2 подается в трубы-испарители 10,где превращается в пар. Через пароперегреватель 7 пар поступает в турбину. Отсутствие барабана и принудительна циркуляция воды и пара позволяют получить сверхкритические параметры пара: давление до 30 МПа и температуру до 590°С. Это соответствует энергоблокам мощностью до 1200 МВт и паропроизводителъности до 4000 т/ч.

Котлы, предназначенные только для теплоснабжения и устанавливаемые в местных или районных котельных, выполняются на тех же принципах, что рассмотрены выше. Однако параметры теплоносителя, определяемые требованиями потребителей тепла, существенно отличаются от рассмотренных ранее (некоторые технические характеристики таких котлов приведены в табл.1.3).

Таблица 1.3. Технические данные котлов отопительных систем

Например, котельные, пристроенные к зданиям, допускают применение котлов с давлением пара до 0,17 МПа и температурой воды до 1150С, а максимальная мощность встроенных котельных не должна превышать 3,5 МВт при работе на жидком и газообразном топливе или I,7 МВт при работе на твёрдом топливе. Котлы отопительных систем различаются по виду теплоносителя (вода, пар), по производительности и тепловой мощности, по конструкции (чугунные и стальные, малометражные и шатровые и др.).

Эффективность работы системы парогенерации или подготовки горячей воды во многом определяется коэффициентом полезного действий (КПД) котлоагрегата.

В общем случае КПД парового котла и расход топлива определяются выражениями:

Кг/с, (1.1)

где hk - КПД парового котла, %; q2, q3, q4, q5, q6 - потеря теплоты соответственно с уходящими газами, химическим недожогом, механическим недожогом, на наружное охлаждение, со шлаком, %; В - полный расход топлива, кг/с; QПК - теплота, воспринятая рабочей средой в паровом котле, кДж/м; - располагаемая теплота поступающего в топку топлива, кДж/кг.

Рис.1.4.

а - барабанного типа; б - прямоточного типа

1- барабан; 2 - экономайзер; 3 - камера уходящих газов; 4 - коллектор; 5 - топочная камера; 6 - подъёмные трубы; 7 - пароперегреватель; 8 - опускные трубы; 9 - насос; 10 - трубы-испарители

Если теплота уходящих газов не используется, то

а при разомкнутой системе сушки топлива уходящими газами

где Нух, Нотб, - энтальпия соответственно уходящих газов, газов в месте отбора на сушку и холодного воздуха, кДж/кг; r - доля отбора газов на сушку; ?yx - избыток воздуха в уходящих газах.

Энтальпия газа при температуре Т численно равна количеству теплоты, которое подведено к газу в процессе нагревания его от нуля градусов Кельвина до температуры Т при постоянном давлении.

При разомкнутой системе сушки все данные о топливе относят к подсушенному топливу.

В этом случае расход сырого топлива при изменении влажности от WР до Wсуш составляет

где Всуш - расход подсушенного топлива по (1.1), кг/с; Wсуш, WР - влажность подсушенного и неподсушенного топлива, %.

При изменении влажности меняется и низшая теплота сгораниятоплива от до:

КДж/кг (1.4)

Низшая теплота сгорания соответствует количеству теплоты, выделяемой топливом при полном его сгорании без учёта теплоты, затрачиваемой на образование водяных паров, которые находятся в продуктах сгорания.

Полная располагаемая теплота поступающего в топку топлива

КДж/кг, (1.5)

где - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; - дополнительная теплота, вносимая в котел подогретым снаружи воздухом, паровым дутьем и т.д., кДж/кг.

Для ориентировочных расчетов.

Теплота, воспринимаемая рабочей средой в паровом котле

КДж/с, (1.6)

где Dп - паропроизводительность котла, кг/с; hпп, hпв - энтальпия перегретого пара и питающей воды, кДж/кг; ?Qпк - дополнительно воспринимаемая теплота при наличии в котле пароперегревателя, продувки водой и т.д., кДж/с.

Для ориентировочных расчетов?Qпк=0,2…0,3 Dп(hпп - hпв).

где?ун- доля уноса золы с продуктами сгорания; Ншл - энтальпия шлака, кДж/кг; АР - рабочая зольность топлива, %.

Значения q3, q4, q5, Wр, Aр, приводятся в специальной литературе, а также в учебных пособиях .

При твердом шлакоудалении можно принять?ух=1,2…1,25; ?ун=0,95; Ншл=560 кДж/кг.

Кроме того, при температуре воздуха перед котлом 300С =223 кДж/кг, а при температуре уходящих газов 1200С Нух=1256 кДж/кг.

Пример расчета. Определить КПД и расход топлива для парового котла при следующих условиях: Dп=186 кг/с; топливо - подсушенный Березовский угль с Wсуш=13%; разомкнутая система сушки, r=0,34; отбираемый на сушку газ имеет Нотб=4000кДж/кг; энтальпия перегретого пара и питательной воды соответственно hпп =3449 кДж/кг, hпв=1086,5 кДж/кг.

Решение. Предварительно по (1.4) определяется низшая теплота сгорания подсушенного топлива.

Здесь Wр=33% и =16200 кДж/кг приняты по .

Принимая по (1.5)

находим по (1.2)

По находим: q3=1%, q4=0,2%, q5=0,26% и с учётом (1.7)

Для расчета расхода топлива по (1.6) находим

Расход подсушенного топлива по (1.1)

Расход сырого топлива при Wр =33% по (1.3) составляет

Паровая турбина. Это тепловой двигатель, в котором энергия пара превращается в механическую энергию вращения ротора (вала) и закреплённых на нём рабочих лопаток. Упрощенная схема устройства паровой турбины приведена на рис.1.5. На валу 1 турбины крепятся диски 2 с рабочими лопатками 3. На эти лопатки из сопла 4 подаётся пар из котла, подводимый по паропроводу 5. Энергия пара приводит во вращение рабочее колесо турбины, а вращение вала передаётся через муфту 6 валу 7 синхронного генератора. Отработавший пар через камеру 8 направляется в конденсатор.

Паровые турбины по конструкции разделяются на активные и реактивные. В активной турбине (рис.1.5в) объем пара V2 при входе на рабочие лопатки равен объёму пара V3 при выходе с лопаток. Расширение объёма пара от V1 до V2 происходит только в соплах. Там же изменяется давление от р1 до p2 и скорость пара от с1 до с2. В этом случае остаётся неизменным давление пара на входе р2 и выходе р3 с лопаток, а скорость пара падает от с2 до с3 за счет передачи кинетической энергии пара лопаткам турбины:

Gп?(с2-с3)2 / 2 Gт?ст2 / 2,

где Gп, Gт - масса пара и рабочего колеса турбины; с2, с3, ст - скорость пара на входе и выходе с лопаток и скорость перемещения рабочего колеса.

Конструкция лопаток реактивной турбины такова (рис.1.5г), что пар расширяется не только в соплах от V1 до V2, но и между лопатками рабочего колеса от V2 до V3. При этом изменяется давление пара от р2 до р3 и скорость пара от с2 до с3. Поскольку V2p3 и в соответствии с первым законом термодинамики элементарная работа расширения единицы пара

где F - площадь лопатки, м2; (р2 - р3) - разность давления на входе и выходе с лопаток, Па; dS - перемещение лопатки, м.

При этом - работа, используемая для вращения рабочего колеса турбины. Таким образом, в реактивных турбинах помимо центробежных сил, возникающих при изменении скорости движения пара, на лопатки действуют реактивные силы, вызванные расширением пара.

Современные турбины выполняются как активными, так и реактивными. В мощных агрегатах параметры пара на входе приближается к значениям 30 МПа и 6000С. При этом истечение пара из сопла происходит со скоростью, превышающей скорость звука. Это ведёт к необходимости большой частоты вращения ротора. Возникают огромные центробежные силы, действующие на вращающиеся части турбины.

Практически частота вращения ротора, обусловленная конструктивными особенностями, как самой турбины, так и синхронного генератора, составляет 3000 1/мин. При этом линейная скорость на окружности колеса турбины диаметром один метр составляет 157 м/с. В этих условиях частицы стремятся оторваться с поверхности колеса с силой в 2500 раз превышающей их вес. Инерционные нагрузки уменьшают применением ступеней скорости и давления. Каждой ступени отдаётся не вся энергия пара, а только часть ее. Это обеспечивает и оптимальный теплоперепад на ступени, который составляет 40...80 кДж/кг при окружной скорости 140...210 м/с. Общий теплоперепад, срабатываемый в современных турбинах, составляет 1400...1600 кДж/кг.

По конструктивным соображениям 5...12 ступеней группируются в одном корпусе, который называют цилиндром. Современная мощная турбина может иметь цилиндр высокого давления (ЦВД) с давлением пара на входе 15...30 МПа, цилиндр среднего давления (ЦСД) с давлением 8...10 МПа и цилиндр низкого давления (ЦНД) с давлением 3...4 МПа. Турбины мощностью до 50 МВт обычно выполняются в одном цилиндре.

Отработавший в турбине пар поступает в конденсатор для охлаждения и конденсации. В трубчатый теплообменник конденсатора подаётся охлаждающая вода с температурой 10...15°С, что способствует интенсивной конденсации пара. С этой же целью давление в конденсаторе поддерживается в пределах 3...4 кПа. Охлаждённый конденсат вновь подаётся в котёл (рис.1.5), а охлаждающая вода, нагревшаяся до 20...25°С, удаляется из конденсатора. Если вода для охлаждения забирается из водоёма и затем безвозвратно сбрасывается, система называется разомкнутой прямоточной. В замкнутых системах охлаждения вода, нагревшаяся в конденсаторе, подается насосами на градирни - конусообразные башни. С верхней части градирен с высоты 40…80 м вода струится вниз, охлаждаясь при этом до необходимой температуры. Затем вода снова поступает в конденсатор.

Обе системы охлаждения имеют свои достоинства и недостатки и находят применение на электростанциях.

Рис.1.5. Устройство паровой турбины:

а - рабочее колесо турбины; б - схема трехступенчатой активной турбины; в - работа пара в активной ступени турбины; г - работа пара в реактивной ступени турбины.

1 - вал турбины; 2 - диски; 3 - рабочие лопатки; 4 - сопла; 5 - паропровод; 6 - муфта; 7 - вал синхронного генератора; 8 - камера отработавшего пара.

Турбины, у которых весь поданный в них пар после совершения работы поступает в конденсатор, называются конденсационными и используются для получения только механической энергии с последующим преобразованием её в электрическую. Такой цикл называется конденсационным, используется на ГРЭС и КЭС. Пример конденсационной турбины - К300-240 мощностью 300 МВт с начальными параметрами пара 23,5 МПа и 600°С.

В теплофикационных турбинах часть пара отбирается до конденсатора и используется для подогрева воды, которая затем направляется в систему теплоснабжения жилых, административных, производственных зданий. Цикл называется теплофикационным и используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Т100-130/565 мощностью 100 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С имеет несколько регулируемых отборов пара.

Промышленно-теплофикационные турбины имеют конденсатор и несколько регулируемых отборов пара для теплофикационных и промышленных нужд. Они используется на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина П150-130/7 мощностью 50 МВт на начальные параметры пара 13 МПа и 5650С обеспечивает промышленный отбор пара при давлении 0,7 МПа.

Турбины с противодавлением работают без конденсатора, а весь отработавший пар поступает теплофикационным и промышленным потребителям. Цикл называется противодавленческим, а турбины используются на ТЭЦ и ГРЭС. Например, турбина Р50-130/5 мощностью 50 МВт на начальное давление пара 13 МПа и конечное давление (противодавление) 0,5 МПа с несколькими отборами пара.

Использование теплофикационного цикла позволяет достичь на ТЭЦ КПД до 70% с учетом отпуска тепла потребителям. При конденсационном цикле КПД составляет 25...40% в зависимости от начальных параметров пара и мощности агрегатов. Поэтому КЭС размещаются в местах добычи топлива, что снижает затрата на транспортировку, а ТЭЦ приближаются к потребителям тепла.

Синхронные генераторы. Конструкция и характеристики этой машины, преобразующей механическую энергию в электрическую, подробно рассматриваются в специальных дисциплинах. Поэтому ограничимся общими сведениями.

Основные элементы конструкции синхронного генератора (рис.1.6): ротор 1, обмотка 2 ротора, статор 3, обмотка 4 статора, корпус 5, возбудитель 6 - источник постоянного тока.

Неявнополюсной ротор быстроходных машин - турбогенераторов (n = 3000 1/мин) выполняется из листовой электротехнической стали в форме цилиндра, находящегося на валу 7. Тихоходные машины - гидрогенераторы (n ? 1500 1/мин) имеют явнополюсный ротор (показан пунктиром). В пазах на поверхности ротора располагается медная изолированная обмотка, подключённая с помощью скользящих контактов 8 (щёток) к возбудителю. Статор представляет собой полный цилиндр из электротехнической стали, на внутренней поверхности которого в пазах располагаются три фазные обмотки - А, В, С. Обмотки выполняется медным изолированным проводом, идентичны друг другу и имеют осевую симметрию, занимая секторы по 120°. Начала фазных обмоток А, В, С через изоляторы выводятся наружу, а концы обмоток Х, У, Z соединяются в общую точку N - нейтраль.

Работа генератора происходит следующим образом. Ток возбуждения iB в обмотке ротора создает магнитный поток Ф, пересекающий обмотки статора. Вал генератора приводится во вращение турбиной. Тем самым обеспечивается равномерное вращение магнитного поля ротора с угловой частотой?=2?f, где f - частота переменного тока, 1/с - Гц. Для получения частоты переменного тока 50 Гц при числе пар магнитных полюсов р необходима частота вращения ротора n=60?f /p.

При р = 1, что соответствует наявнополюсному ротору, n= 3000 1/мин. Вращающееся магнитное поле пересекая обмотки статора наводит в них электродвижущую силу (ЭДС). В соответствии с законом электромагнитной индукции мгновенное значение ЭДС

где w - число витков.

ЭДС в обмотках статора наводятся синхронно с изменением магнитного поля по мере вращения ротора.

Рис.1.6.

а - конструкция генератора; б - схема соединения обмоток;

в - ЭДС на выводах обмоток генератора

1 - ротор; 2 - обмотка ротора; 3 - статор; 4 - обмотка статора; 5 - корпус; 6 - возбудитель; 7 - вал (ось) ротора; 8 - контактные кольца

При равномерном вращении ротора и осевой симметрии обмоток статора мгновенные значения фазных ЭДС равны:

где ЕМ - амплитудное значение ЭДС.

Если к выводам обмоток статора генератора подключена электрическая нагрузка Z во внешней цепи протекает электрически ток

где - напряжение на выводах обмоток при протекании в них тока i и сопротивлении обмотки статора Zвн.

На практике удобнее использовать не мгновенные, а действующие значения электрических величин. Необходимые соотношения известны из курса физики и теоретических основ электротехники.

Работа генератора во многом зависит от режима возбуждения и охлаждения машины. Различные системы возбуждения (независимое и самовозбуждение, электромашинное и тиристорное и т.д.) позволяют изменять величину iB и, следовательно, магнитного потока Ф и ЭДС в обмотках статора. Это даёт возможность регулировать напряжение на выводах генератора в определённых пределах (обычно ±5%).

Величина активной мощности, отдаваемой турбогенератором в электрическую сеть, определяется мощностью на валу турбины и регулируется подачей в турбину пара.

В процессе работы генератора происходит его нагрев, прежде всего из-за выделения тепла в обмотках, обтекаемых током. Поэтому существенное значение имеет эффективность системы охлаждения.

Генераторы малой мощности (1...30 МВт) имеют воздушное охлаждение внутренних поверхностей по проточной (разомкнутой) или регенеративной (замкнутой) схеме. На генераторах средней мощности (25...100 МВт) применяют поверхностное водородное охлаждение по замкнутой схеме, что более эффективно, но требует применения специальных мер безопасности. Мощные генераторы (более 100 МВт) имеют форсированное водородное, водяное или масляное охлаждение, при котором охладитель прокачивается под давлением внутри статора, ротора, обмоток по специальным полостям (каналам).

Основные технические характеристики генераторов: номинальное напряжение на выводах обмотки статора генератора, Uном: 6,3-10,5-21 кВ (бoльшие значения соответствуют более мощным генераторам); номинальная активная мощность, Рном, МВт; номинальный коэффициент мощности; номинальный КПД, составляющий 90...99%.

Эти параметры связаны между собой:

Собственные нужды электростанций. Не вся электрическая и тепловая энергия, произведённая на ТЭС, отдаётся потребителям. Часть остаётся на станции и используется для обеспечения её работы. Основными потребителями этой энергии являются: система транспортировки и подготовки топлива; насосы подачи воды, воздуха; система очистки воды, воздуха, уходящих газов и др.; отопление, освещение, вентиляция бытовых и производственных помещений, а также целый ряд других потребителей.

Многие элементы собственных нужд относятся к первой категории по надёжности электроснабжения . Поэтому они подключаются, по крайней мере, к двум независимым источникам энергии, например, к источникам на своей станции и к энергосистеме.

Распределительное устройство. Электроэнергия, выработанная генераторами, собирается на распределительном устройстве (РУ), а затем распределяется между потребителями. Для этого выводы обмоток статоров генераторов через специальные коммутационные аппараты (выключатели, разъединители и др.) жесткими или гибкими проводниками (шинами) присоединяются к сборным шинам РУ. Каждое присоединение в РУ осуществляется посредством специальной ячейки, содержащей необходимый комплект аппаратуры. Поскольку передача, распределение и генерация электроэнергии, а также ее потребление происходят при разном напряжении, на станции есть несколько РУ. На номинальное напряжение генераторов, например, 10,5 кВ, выполняется РУ генераторного напряжения. Обычно оно находится в здании станции и по конструкции является закрытым (ЗРУ). К этому РУ подключаются близко расположенные потребители. Для передачи электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния и связи с другими станциями и системой необходимо использовать напряжение 35...330 кВ. Такая связь осуществляется с помощью отдельных РУ, обычно открытого исполнения (ОРУ), где устанавливаются повышающие трансформаторы. Для подключения потребителей собственных нужд служит - РУСН. С шин РУСН электроэнергия непосредственно и через понижающие трансформаторы передаётся потребителям на электростанции.

Схожие принципы используются и при распределении тепловой энергии, вырабатываемой на ТЭЦ. Специальные коллекторы, паропроводы, насосы обеспечивают подачу тепла промышленным и коммунальным потребителям, а также в систему собственных нужд.